परासरणी संतुलन और कोशिका आयतन विनियमन

कोशिकाओं को विश्राम क्षमता (resting potential) का समर्थन करने वाले आयन प्रवणताओं (ion gradients) को बनाए रखते हुए पानी को परासरणी संतुलन (osmotic balance) में रखना चाहिए। क्योंकि झिल्ली पानी के लिए स्वतंत्र रूप से पारगम्य है, विलेय सांद्रता (solute concentration) में कोई भी असंतुलन पानी को इसके पार धकेलता है, इसलिए उत्तेजित कोशिकाएं (excitable cells) अपने आयतन को स्थिर रखने के लिए सक्रिय आयन परिवहन (active ion transport) और नियामक तंत्रों (regulatory mechanisms) का उपयोग करती हैं।

Definition

परासरणी संतुलन वह स्थिर अवस्था है जिसमें कोशिका झिल्ली के पार पानी का प्रवाह शून्य होता है क्योंकि अंतःकोशिकीय और बाह्यकोशिकीय परासरणता (osmolarities) मेल खाती हैं; कोशिका आयतन विनियमन परिवहन प्रक्रियाओं का वह समूह है जिसके द्वारा एक कोशिका उस संतुलन को बहाल और बनाए रखती है, मुख्य रूप से अंतःकोशिकीय आयन सामग्री को नियंत्रित करके।

Scope

यह विषय बताता है कि कैसे अभेद्य अंतःकोशिकीय विलेय (impermeant intracellular solutes) कोशिकाओं में पानी खींचने की प्रवृत्ति रखते हैं, कैसे डोनन प्रभाव (Donnan effect) यदि अप्रतिबंधित हो तो आयतन को अस्थिर कर देगा, और कैसे सक्रिय सोडियम बहिर्वेशन (active sodium extrusion) और आयतन-नियामक आयन प्रवाह (volume-regulatory ion fluxes) परासरणी और आयतन समस्थिति (osmotic and volume homeostasis) को बनाए रखते हैं। यह आयन-पंप विषय को इस व्यापक प्रश्न से जोड़ता है कि एक कोशिका अपनी प्रवणताओं को बनाए रखते हुए निरंतर आयतन पर कैसे रहती है।

Core questions

• अंतःकोशिकीय प्रोटीन और अन्य अभेद्य विलेय कोशिका को फुलाने की धमकी क्यों देते हैं?
• डोनन प्रभाव क्या है और यह कोशिका आयतन से कैसे संबंधित है?
• सक्रिय सोडियम परिवहन कोशिका आयतन को स्थिर रखने में कैसे मदद करता है (पंप-रिसाव संतुलन)?
• कोशिकाएं तीव्र परासरणी सूजन या सिकुड़न पर कैसे प्रतिक्रिया करती हैं?

Key concepts

• परासरणता और जल पारगम्यता
• अभेद्य अंतःकोशिकीय विलेय
• डोनन संतुलन
• पंप-रिसाव संतुलन
• नियामक आयतन में कमी और वृद्धि
• एक्वापोरिन जल चैनल

Key theories

आयतन स्थिरता की पंप-रिसाव परिकल्पना

अभेद्य अंतःकोशिकीय आयन सोडियम और पानी के प्रवेश और कोशिका को फुलाने के लिए डोनन प्रवृत्ति बनाते हैं; Na+/K+-ATPase द्वारा सोडियम का निरंतर सक्रिय बहिर्वेशन इस रिसाव को ऑफसेट करता है, प्रभावी रूप से सोडियम को एक अभेद्य बाह्यकोशिकीय विलेय के रूप में व्यवहार करता है और कोशिका आयतन को स्थिर रखता है।

Mechanisms

कोशिकाओं में प्रोटीन और कार्बनिक आयन (organic anions) होते हैं जो झिल्ली को पार नहीं कर सकते हैं और जो अपने संबंधित प्रति-आयनों (counterions) के साथ, अंतःकोशिकीय परासरणी दबाव (intracellular osmotic pressure) बढ़ाते हैं। क्योंकि पानी झिल्ली को आसानी से पार कर जाता है, यह पानी को अंदर खींच लेगा और कोशिका को फुला देगा, यह प्रवृत्ति डोनन प्रभाव द्वारा व्यक्त की जाती है, जो आयन वितरण को भी बाधित करती है। कोशिका Na+/K+-ATPase के साथ सोडियम को लगातार बाहर पंप करके इसका मुकाबला करती है, ताकि सोडियम लगभग ऐसा व्यवहार करे जैसे कि यह आंतरिक विलेय को संतुलित करने वाला एक बाहरी अभेद्य विलेय हो; यह पंप-रिसाव संतुलन (pump-leak balance) परासरणता को मेल खाता रखता है और आयतन को स्थिर रखता है, और यह आयतन नियंत्रण को उसी सक्रिय परिवहन से जोड़ता है जो विश्राम क्षमता को बनाए रखता है, जैसा कि थॉमस (1972) ने चर्चा की थी। जब परासरणी चुनौतियां आयतन को परेशान करती हैं, तो कोशिकाएं नियामक आयतन में कमी या वृद्धि (regulatory volume decrease or increase) को तैनात करती हैं, चैनलों और ट्रांसपोर्टरों के माध्यम से आयनों और कार्बनिक परासरणशील पदार्थों (organic osmolytes) को प्राप्त या त्याग कर अपने निर्धारित आयतन की ओर लौटती हैं, इन तंत्रों की व्यापक समीक्षा हॉफमैन और सहयोगियों (2009) द्वारा की गई है।

Clinical relevance

परासरणी संतुलन और आयतन विनियमन वहां मायने रखते हैं जहां कोशिकाएं बाह्यकोशिकीय टोनिसिटी (extracellular tonicity) में बदलाव का सामना करती हैं, और इन तंत्रों की विफलता ऊर्जा-क्षीण या घायल ऊतक में कोशिका सूजन में योगदान करती है। यह प्रविष्टि अंतर्निहित शरीर विज्ञान को संदर्भ सामग्री के रूप में वर्णित करती है और कोई नैदानिक या उपचार मार्गदर्शन प्रदान नहीं करती है।

Evidence & guidelines

सिद्धांत शास्त्रीय परासरणी और डोनन सिद्धांत और व्यापक परिवहन शरीर विज्ञान पर आधारित हैं, जिनकी समीक्षाओं और पाठ्यपुस्तकों में पुष्टि की गई है; यह विषय दिशानिर्देश सामग्री के बजाय यांत्रिक संदर्भ सामग्री है।

History

फ्रेडरिक डोनन ने बीसवीं शताब्दी की शुरुआत में अभेद्य आवेशित प्रजातियों (impermeant charged species) की उपस्थिति में आयनों के संतुलन वितरण का वर्णन किया। यह पहचान कि सक्रिय सोडियम परिवहन परिणामी डोनन सूजन (Donnan swelling) को ऑफसेट करता है, पंप-रिसाव अवधारणा (pump-leak concept), मध्य शताब्दी में सोडियम पंप के अध्ययन के साथ विकसित हुई, और परासरणी तनाव के लिए कोशिकाओं की सक्रिय नियामक प्रतिक्रियाओं को बाद की समीक्षाओं जैसे हॉफमैन और सहयोगियों (2009) में संश्लेषित किया गया।

Key figures

• Frederick Donnan
• Roger C. Thomas
• Else K. Hoffmann

Seminal works

• hoffmann-2009
• thomas-1972

Frequently asked questions

यदि किसी कोशिका का पंप काम करना बंद कर दे तो वह क्यों फूल जाएगी?

अभेद्य अंतःकोशिकीय विलेय परासरण द्वारा पानी को अंदर खींचते हैं; इस डोनन प्रवृत्ति को ऑफसेट करने के लिए सक्रिय सोडियम बहिर्वेशन के बिना, सोडियम और पानी अंदर जमा हो जाते हैं और कोशिका फूल जाती है।

कोशिका आयतन विनियमन विश्राम क्षमता से कैसे संबंधित है?

दोनों एक ही सक्रिय आयन परिवहन पर निर्भर करते हैं। Na+/K+-ATPase जो विश्राम क्षमता के पीछे की प्रवणताओं को बनाए रखता है, परासरणी संतुलन बनाए रखने के लिए सोडियम को भी बाहर निकालता है, इसलिए आयतन नियंत्रण और झिल्ली क्षमता एक सामान्य मशीनरी साझा करते हैं।